城市土木工程基础设施韧性提升理论与方法_顾祥林.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0001-13城市土木工程基础设施韧性提升理论与方法顾祥林1,2，余倩倩1,2，姜超1,2，刘凌瀚1,2，卢晨琛1,2(1.工程结构性能演化与控制教育部重点实验室，上海200092；2.同济大学建筑工程系，上海200092)摘要：保证城市土木工程基础设施的功能是建设韧性城市的关键。以“灾害/环境作用-结构响应-灾变控制-韧性提升”为主线，从材料、结构、系统等不同尺度，对相关研究成果进行回顾与分析。结果表明：对单一灾害或单一环境作用机制、单一环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、单一灾害作用下单体结构的灾变响应与控制等方面有了清晰的认识和技术应对措施。但是，多重灾害和复杂环境作用下城市土木工程基础设施的灾变机理更加复杂、韧性提升难度更大。未来需进一步深入研究多重灾害触发及复杂环境作用机制、复杂环境作用下结构材料性能退化机理及其恢复方法、多灾害与复杂环境作用下单体结构灾变机理与控制方法以及城市土木工程基础设施系统的灾变机理与韧性提升方法。关键词：土木工程基础设施；多灾害作用；环境作用；性能退化与恢复；灾变机理与控制；韧性中图分类号：TU3文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.11.ST08THEORYANDMETHODOFRESILIENCEENHANCEMENTOFURBANCIVILENGINEERINGINFRASTRUCTURESGUXiang-lin1,2,YUQian-qian1,2,JIANGChao1,2,LIULing-han1,2,LUChen-chen1,2(1.KeyLaboratoryofPerformanceEvolutionandControlforEngineeringStructures,MinistryofEducation,Shanghai200092,China;2.DepartmentofStructuralEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Itisthefoundationtoensurefunctionsofcivilengineeringinfrastructuresforbuildingresilientcities.This paper critically reviewed and analyzed the state-of-the-art on hazard/environmental action-structuralresponse-hazard control-resilience enhancement for materials,structures,and systems of civil engineeringinfrastructures.Itwasfoundthatmechanismsofasinglehazardorasingleenvironmentalaction,degradationmechanisms and recovery methods of structural materials under a single environmental action,and hazardresponseanalysisandcontrolofasinglestructureunderasinglehazardactionhavebeenclearlyunderstood.However,failure mechanisms of civil engineering infrastructures under multiple hazards and complexenvironmental actions are more complicated,and it is more difficult to enhance resilience of urban civilengineeringinfrastructuresconsideringmultiplehazardsandcomplexenvironmentalactions.Itissuggestedtofurther identify trigger mechanisms of multiple hazards and action mechanisms of complex environmentalconditions,degradationmechanismsandrepairmethodsofstructuralmaterialsundercomplexenvironmentalactions,failure mechanisms and control/resilience enhancement methods for a single structure and civilengineeringinfrastructuralsystemsundermultiplehazardsandcomplexenvironmentalactions.Keywords:civil engineering infrastructure;multiple hazard action;environmental action;performancedegradationandrecovery;catastrophemechanismandcontrol;resilience收稿日期：2022-11-06；修改日期：2022-11-21基金项目：国家自然科学基金重点项目(51938013)；国家重点研发计划项目(2022YFC3803000)通讯作者：顾祥林(1963)，男，安徽人，教授，博士，主要从事结构性能演化与控制研究(E-mail:).作者简介：余倩倩(1987)，女，浙江人，副教授，博士，主要从事结构性能演化与控制研究(E-mail:);姜超(1989)，男，湖南人，副研究员，博士，主要从事结构性能演化与控制研究(E-mail:);刘凌瀚(1996)，男，江西人，博士生，主要从事多灾害概率特性研究(E-mail:);卢晨琛(1999)，男，福建人，博士生，主要从事多灾害作用下建筑群响应研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS1随着我国城市化进程的推进，城市系统日渐复杂，人员和社会财富高度集中，如不能有效应对灾害将会产生无可估量的损失。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要明确指出“建设韧性城市”。由不同建筑、特种结构、高架桥梁和地铁交通网络等组成的土木工程基础设施系统是现代城市的重要组成部分，保证其韧性是建设韧性城市的关键。土木工程基础设施在其服役周期内可能面临突发的或短暂的灾害性作用，如地震、强风、火灾、爆炸等，使其性能突变甚至失去功能。同时，在长期环境作用下土木工程基础设施的性能还会因材料劣化、钢筋/钢材锈蚀等影响而逐渐退化。环境作用和灾害作用的耦合又会加剧土木工程基础设施的性能恢复和提升难度(图 1)。为应对这一严峻挑战，必须综合考虑多灾害作用和复杂环境作用，大幅提高城市土木工程基础设施的韧性，即提高其主动防止灾害发生、减轻灾害损失和迅速恢复灾后使用功能的能力。实现这一目标的理论基础就是要建立多灾害作用下城市土木工程基础设施的韧性提升理论和方法。因此，迫切需要解决提升城市基础设施韧性背后的基础科学问题，深入研究多灾害及复杂环境作用下单体结构与土木工程基础设施系统的灾变演化机理、灾变控制方法及韧性提升理论。1多灾害作用与复杂环境作用20 世纪以来，全球地震、强风、火灾、爆炸等灾害事件频发。其中，有的灾害以单一的形式出现，如强风、爆炸；有的则是由某一单一灾害引发或并发其他灾害，如地震引起火灾或者爆炸等多重灾害。多种灾害伴随发生而形成的灾害组合场景对城市土木工程基础设施的破坏以及所带来的经济损失巨大，日益引起人们的高度重视。此外，长期服役过程中，结构易受到环境中腐蚀介质侵蚀，造成性能下降，灾害风险进一步增加。认识多灾害作用和复杂环境作用是开展结构致灾机理研究和韧性评估的重要前提。1.1多灾害作用土木工程基础设施在服役过程中，会面临多重作用的风险，包括短时突发灾害(如地震、强风、火灾、爆炸等)和长期环境作用(如混凝土碳化、氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等)。近年来，结构单体及其组成的基础设施系统在多重灾害作用下的韧性和风险研究开始逐渐得到关注15。根据灾害属性，多重灾害可分为并发和继发灾害。并发灾害(concurrenthazards)指多重灾害在同一时间发生或持续时间有重叠；继发灾害(cascadinghazards)指某个灾害触发、增强或扩散其他灾害。基于灾害效应的相关关系，一种灾害可通过改变物理构件的基本属性或功能同其他灾害产生关联。进一步地，可根据灾害效应的相互放大或抑制作用，将灾害分为加剧灾害(amplifyinghazards)和衰减灾害(diminishinghazards)。多灾害作用如对于某设计参数的选取产生相悖的结论，则称两者为竞争灾害(competinghazards)；相反，如考虑某种灾害作用得到的设计参数，对抵抗其他灾害作用有益处，称两者为补充灾害(complementaryhazards)5。由此，目前按抗单一灾害设计的结构在面临多灾害作用时可能得到不一致甚至完全相反的结果；可接受指标性能0T1服役时间仅考虑环境作用的性能退化性能提升环境作用灾害作用性能恢复环境作用灾害作用TTr2Tr1图1多灾害和环境作用下土木工程基础设施性能退化与恢复、提升Fig.1Degradation,recoveryandenhancementofperformanceofcivilengineeringinfrastructuresundermultiplehazardsandenvironmentaleffects2工程力学仅单独考虑土木工程基础设施在服役周期中可能遭受的多个灾害作用，而不考虑灾害作用之间的相关关系对基础设施的影响，会导致结果和预期目标间有大的差距。在计算并发灾害相遇概率时，如果基于两种灾害相互独立的假设，可根据两种灾害各自的概率分布、持续时间等参数，基于独立性原理由全概率公式推导得到。已有研究对地震-洪水冲刷、洪水冲刷-重卡车荷载、地震-重卡车荷载三类并发灾害相遇概率计算进行了初步讨论6，但是该计算方法仅适用于重现期短的灾害，且在计算中低估了灾害的持时和发生次数。在此基础上，有学者建立了考虑灾害发生次数的并发灾害相遇概率模型7(图 2)，较之前的方法大大提高了计算准确性。但是，计数过程需借助灾害的重现期，只能粗略反映灾害的强度特征。近年来，广泛运用于金融、保险等领域的相关分析的 Copula 函数被用于建立两种灾害强度的联合概率分布8(图 3)，在考虑灾害之间相关关系的基础上，分析并发灾害的强度特征。02004006008001000模拟次数0.00.10.20.30.40.5地震与强风相遇概率理论计算蒙特卡洛模拟图2地震-强风相遇概率计算(中国台湾花莲地区)Fig.2Encounterprobabilityofconcurrentearthquakesandstrongwinds(Hualian,Taiwan,China)0.0150.0100.0050.000765410152025概率密度震级/Ms风速/(ms1)图3基于 Copula 函数的震级-风速联合概率分布(中国台湾花莲地区)Fig.3Copula-basedjointprobabilitydensityfunctionofearthquakemagnitudeandwindspeed(Hualian,Taiwan,China)相对于并发灾害的分析，对于继发灾害的研究较少，大多集中在地震引